15 октября 1997 г.
Королевская шведская академия наук решил присудить Нобелевскую премию по физике 1997 года совместно
Профессор Стивен Чу , Стэнфордский университет, Стэнфорд, Калифорния, США,
Профессор Клод Коэн-Танноуджи , Коллеж де Франс и Эколь Нормаль Супериуре, Париж, Франция, и
Доктор Уильям Д. Филлипс , Национальный институт стандартов и технологий, Гейтерсберг, Мэриленд, США,
за разработку методов охлаждения и захвата атомов лазерным светом.
Этот дополнительный справочный материал написан в основном для физиков.
Работа Стивена Чу, Клода Коэна-Танноуджи и Уильяма Д. Филлипса в области лазерного охлаждения и захвата привела к прорыву как в теории, так и в экспериментах в этой области и привела к более глубокому пониманию взаимодействия между светом и веществом. Это также привело к интенсивной всемирной деятельности в сообществе атомной, молекулярной и оптической физики и, в частности, открыло новые пути к изучению квантового поведения разбавленных паров атомов при очень низких температурах. Методы лазерного охлаждения и захвата используются в фундаментальной спектроскопии высокого разрешения и исследовании ультрахолодных столкновений. Они также находят применение в конструировании атомных часов, атомных интерферометров и атомных лазеров, а также в разработке приборов для атомной оптики и атомной литографии. Недавние заявления, связанные с Нобелевской премией по физике 1997 года, являются первым наблюдением конденсации Бозе-Эйнштейна в разбавленном атомном газе и разработкой первого лазера на элементарном атоме.
1. Историческая справка
Йоханнес Кеплер, пытаясь объяснить, почему хвосты комет, входящих в нашу солнечную систему, всегда указывают в сторону от Солнца, уже в 1619 году предположил, что свет может оказывать механическое воздействие. Важный вклад в теорию так называемого «светового давления» внес Джеймс Клерк Максвелл в 1873 году и Альберт Эйнштейн в 1917 году. Эйнштейн показал, в частности, что поглощение и испускание фотонов атомами изменяет линейный импульс атомов. Первым процессом, в котором импульс фотона играл важную роль, был эффект Комптона, т.е. рассеяние рентгеновских лучей на электронах. Первое наблюдение за отдающимися электронами было сделано в 1923 году CTR Уилсоном в его облачной камере. Первое экспериментальное наблюдение за атомами отдачи было сделано О.Р. Фришем в 1933 г. С изобретением перестраиваемого лазера на красителе П. П. Сорокиным и Ф. П. Шефером в 1966 г., выдающимся инструментом для дальнейшего исследования того, что стало известно как «механические свойства свет »был создан.
Важные ранние теоретические и экспериментальные работы по воздействию фотонов на нейтральные атомы были сделаны в 1970-х годах В.С. Летоховым и другими физиками в СССР и в группе А. Эшкина в Bell Laboratories, Holmdel, NJ, в США. Среди прочего, они предложили изгибать и фокусировать атомные пучки и захватывать атомы в сфокусированных лазерных пучках. Эта ранняя работа, например, привела к разработке «оптического пинцета», который может манипулировать живыми клетками и другими мелкими объектами.
Первое предложение по охлаждению нейтральных атомов в встречно распространяющихся лазерных лучах было сделано Т. В. Хеншем и А. Л. Шавловым в 1975 г. В то же время аналогичное предложение было выдвинуто DJ Wineland и HG Dehmelt, которые будут использоваться для ионов в ионных ловушках. , Хенш и Шавлов предложили охлаждать нейтральные атомы в парах встречных лазерных лучей, отстроенных чуть ниже резонансного перехода атомов. Поскольку эффект Доплера будет иметь тенденцию настраивать атомы, движущиеся к одному из лазерных лучей, в резонанс, эти атомы будут систематически замедляться за счет поглощения фотонов, приходящих с одного и того же направления и имеющих энергию ниже энергии резонанса. Поскольку эмиссия происходит в случайных направлениях, это приводит только к небольшому изотропному распределению скорости. Таким образом, атомы, движущиеся к лазеру, будут терять скорость и эффективно охлаждаться. Другие атомы с компонентами скорости по отношению к другим лазерам будут охлаждаться таким же образом. В газе с идеальными двухуровневыми атомами можно легко рассчитать предельную температуру, так называемый доплеровский предел, который для резонансного перехода в натрии составит 0,24 мК.
Важной частью любой попытки охлаждения и захвата нейтральных атомов является создание потока атомов, достаточно медленного, чтобы оставаться в области взаимодействия фотон-атом в течение достаточно длительного времени. В 1980 году было предпринято несколько попыток замедления атомных пучков фотонами. Трудность заключается в том, что при замедлении свободных атомов частота лазерного излучения должна соответствовать резонансной частоте со сдвигом Доплера, метод, предложенный Летоховым и названный «частотным чирпированием». ». WD Phillips и сотрудники Национального института стандартов и технологий, NIST, Гейтерсберг, США, вместо этого разработали схему, в которой атомный пучок распространяется вдоль оси переменного магнитного поля соленоида, так что доплеровские и зеемановские сдвиги компенсируют и резонанс компенсирует Частота перехода постоянна («Зееман медленнее»). Филлипс использовал эту технику в 1985 году и смог остановить атомный пучок и поймать атомы в магнитную ловушку (типа, предложенного Д.Е. Причардом в Массачусетском технологическом институте в 1983 году). В том же 1985 году Дж.Л. Холл и его сотрудники из NIST в Боулдере продемонстрировали полную остановку нейтрального атомного пучка методом частотного чирпирования.
2. Оптическая патока
В 1984 году С. Чу и его коллеги (среди них Ашкин и Дж. Э. Бьорхолм) из Bell Laboratories, Holmdel, NJ, решили реализовать предложение по доплеровскому охлаждению Hänsch и Schawlow. Они использовали пучок атомов натрия, который сначала замедлялся с помощью частотно-чирпированного лазера предварительного охлаждения. После того, как этот лазер был выключен, атомы натрия дрейфовали в пересечении шести попарно ортогональных встречных лазерных лучей (см. Рисунок 1).
Рисунок 1. Схематическое изображение вакуумной камеры, пересекающихся лазерных пучков и атомного пучка, использованных для эксперимента по доплеровскому охлаждению. Лазерные лучи попадают в окна сверхвысокого давления вертикально и горизонтально.
В 1985 году группа сообщила об охлаждении разбавленного пара из примерно 105 нейтральных атомов натрия в объеме 0,2 см3 до температуры примерно 0,2 мК.
Движение атомов в области пересечения аналогично движению в гипотетической вязкой среде, получившей название «оптическая патока» в оригинальной публикации (Phys. Rev. Lett. 55, 48 (1985)). Поскольку атомы не захватываются, а медленно падают в гравитационном поле, облако холодных атомов имеет конечное время жизни, которое в первоначальном эксперименте составляло 0,1 с. Этот эффект фактически использовался для оценки температуры атомов в области пересечения путем мониторинга затухания флуоресценции, когда охлаждающие лазеры были выключены на переменный интервал времени. Результат этого измерения температуры соответствовал теоретическому доплеровскому пределу для натрия 0,24 мК. Дальнейшее развитие эксперимента с оптической мелассой в конечном итоге привело к увеличению плотности атомов до 109 на см3 и времени наблюдения до 1 с.
Для того чтобы нейтральные атомы, охлаждаемые лазером и движущиеся в оптической патоке, стали действительно полезными, нужна ловушка. Эта ловушка должна была быть глубже, чем магнитная ловушка, использованная Филлипсом в 1985 году, или ловушка сфокусированного лазерного луча, предложенная Летоховым и Ашкиным и реализованная в 1986 году Чу и его коллегами в экспериментах с оптической патокой. В 1987 году Притчард и Чу, следуя предложению Дж. Далибарда, разработали рабочую лошадку для более поздних экспериментов - магнитооптическую ловушку (МОТ). При этом также используются три пары встречных лазерных лучей, но теперь с круговой поляризацией и в сочетании со слабым магнитным полем.
Следуя предложениям JR Zacharias и Hänsch, Чу также разработал атомный фонтан для высокоточной спектроскопии. Охлажденные и захваченные атомы запускаются вверх в гравитационном поле по траекториям с точками поворота внутри микроволнового резонатора, в которых медленные атомы резонансно возбуждаются последовательностью двух микроволновых импульсов. Техника использования двух областей возбуждения для атомных пучков была впервые разработана Н. Ф. Рамси и используется в самых точных атомных часах. Сегодня эти часы имеют точность 10-14, в то время как прогнозируется, что новый дизайн, основанный на атомных фонтанах, улучшит точность в 100 раз.
3. Субдоплеровское охлаждение
Тем временем, WD Phillips и его группа в NIST изучали холодное облако нейтральных атомов натрия, медленно движущихся в оптической патоке. В ответ на небольшие разногласия между теорией и экспериментом, которые были также отмечены Чу, они разработали методы более точного измерения температуры облака при различных условиях охлаждения. В частности, они применили метод определения времени пролета падающих атомов для достижения набора зондирующих лазерных лучей ниже области оптической патоки. В начале 1988 года они обнаружили, что температура атомов составляет около 40 мкК, что значительно ниже прогнозируемого доплеровского предела в 240 мкК (Phys. Rev. Lett. 61, 169 (1988)). Они также обнаружили, что самые низкие температуры были достигнуты в условиях, которые противоречили теоретическим доплеровским пределам.
Рисунок 2. Данные времени пролета по сравнению с расчетами для сборок атомов натрия при двух разных температурах. Заштрихованная область указывает на диапазон ошибок в расчете. Очевидно, облако достигло температуры 40 мкК, что в шесть раз ниже доплеровского предела.
Эксперименты групп Чу, которые теперь переехали в Стэнфордский университет, и К. Коэна-Танноуджи в École Normale Supérieure в Париже, вскоре подтвердили, что открытие Филипса было реальным. Объяснение несоответствия пришло почти сразу от Дж. Далибарда и Коэна-Танноуджи в Париже и из Стэнфордской группы. Теория доплеровского охлаждения и доплеровский предел предполагают наличие атома с простым двухуровневым энергетическим спектром. Реальные атомы натрия, с другой стороны, имеют несколько зеемановских подуровней, как в основном состоянии, так и в возбужденном состоянии. Подуровни основного состояния могут стать оптически накачанными, то есть лазерное излучение может переносить атомы натрия в различные распределения популяций подуровня и создавать новые механизмы охлаждения. Детали распределения заселенностей зависят от поляризации лазера, которая быстро меняется на расстоянии одной оптической длины волны в патоке. По этой причине новые механизмы охлаждения идут под общим названием поляризационного градиентного охлаждения. Особый механизм, первоначально обнаруженный Филлипсом, получил название Sisyphus Cooling, по аналогии с персонажем из греческой мифологии, который был осужден толкать тяжелый камень в гору только для того, чтобы найти после достижения гребня камень, который он скатился, и ему пришлось начать все сначала. Атомы всегда теряют кинетическую энергию, как будто движутся в гору, оптически перекачиваются обратно в долину с помощью лазерного поля и начинают снова в гору.
Во время визита в Париж в 1989 году Филлипс сотрудничал с группой в École Normale Supérieure. Они показали, что нейтральные атомы цезия могут быть охлаждены до 2,5 мкК. Что касается доплеровского охлаждения, то, по-видимому, существует фундаментальный нижний предел и для других видов лазерного охлаждения. Этот так называемый предел отдачи будет соответствовать температуре облака атомов, движущихся со скоростями порядка скорости отдачи от одного фотона. Для атомов натрия температура отдачи составляет 2,4 мкК, а для атомов цезия - всего 0,2 мкК. Таким образом, приведенные выше экспериментальные результаты, по-видимому, указывают на то, что можно достичь температуры, примерно в десять раз превышающей предел отдачи, с помощью охлаждения градиентом поляризации неупорядоченного облака атомов. В недавней разработке удалось задержать охлажденные атомы в местах, называемых оптической решеткой. Такая решетка имеет расстояние порядка оптической длины волны, и ее можно регулировать путем изменения конфигурации лазерного луча. Поскольку атомы более эффективно охлаждаются в узлах решетки, чем в произвольных положениях, температура может достигать примерно половины того, что может быть достигнуто в неупорядоченном состоянии. Например, 1,1 цК был достигнут для цезия.
4. Под отдачей охлаждения
Причина того, что энергия отдачи одного фотона устанавливает предел как для доплеровского охлаждения, так и для охлаждения с поляризационным градиентом, заключается в том, что в обеих схемах охлаждения происходит непрерывный цикл процессов поглощения и излучения. Каждый процесс дает атому небольшую, но ничтожную энергию отдачи. Если атомы, находящиеся почти в состоянии покоя, могут быть освобождены от цикла абсорбции-эмиссии, в принципе можно достичь предельных значений температуры отдачи в разбавленных парах атомов. Уже в 1970-х годах в Пизанском университете был открыт механизм, при котором атомы в интенсивном лазерном поле могут оптически накачиваться в не поглощающую когерентную суперпозицию состояний, так называемое темное состояние. К. Коэн-Танноуджи вместе с несколькими коллегами из École Normale Supérieure в Париже, в том числе Э. Аримондо (из Пизы) и А. Аспектом, показал в серии экспериментов, как эффект Доплера может быть использован для обеспечения что только самые холодные атомы попадают в темное состояние. Этот так называемый метод избирательного когерентного захвата населения (VSCPT) впервые был применен в 1988 году в одном измерении (Phys. Rev. Lett. 61, 826 (1988)), в 1994 году в двух измерениях (Phys. Rev. Lett. 73, 1915). (1994)) и в 1995 году в трех измерениях (Phys. Rev. Lett. 75, 4194 (1995)).
Во всех трех экспериментах использовались метастабильно возбужденные атомы гелия He (1s2s3S), для которых доплеровский предел составляет 23 мкК, а предел отдачи - 4 мкК. Уже в 1988 году Коэн-Танноуджи и его коллеги использовали два встречных лазерных луча и могли демонстрировать охлаждение в одном измерении до температуры 2 мкК, что в два раза ниже предела отдачи. Эксперимент был разработан для двумерного охлаждения в начале 1990-х годов. В 1994 году, совместно с Аспектом и другим новым набором сотрудников, используя две пары взаимно ортогональных и встречно распространяющихся лазерных лучей, Коэн-Танноуджи мог показать охлаждение в двух измерениях до 250 нК, что примерно в 16 раз ниже предельной температуры отдачи. , Наконец, в 1995 году эксперимент был разработан для включения трех наборов лазерных лучей, и было показано охлаждение в трех измерениях. Минимальная температура теперь стала 180 нК, что в 22 раза ниже предела отдачи (см. Рис. 3). Несмотря на то, что другие группы участвовали в разработках охлаждения при отдаче, особенно Чу и его коллеги, именно работа Коэна-Танноуджи открыла новую область лазерного охлаждения при отдаче.
Рисунок 3. Профиль распределения атомных скоростей при трехмерном охлаждении под отдачи. Скорость отдачи одиночного фотона составляет 9,2 см / с, тогда как распространение охлажденных атомов составляет около 2 см / с.
5. Приложения
За последнее десятилетие был достигнут огромный прогресс в области лазерного охлаждения и захвата нейтральных атомов. Три Нобелевских лауреата и их сотрудники вместе со многими другими учеными заложили основу для захватывающих разработок в ряде областей физики. Разработка методов охлаждения разбавленных паров захваченных атомов до температур, до сих пор достигаемых только в изолированных частях систем конденсированных сред, позволила создать атомные часы, полезные для точного хронометража, например, в связи с навигацией в космосе и исследованием Солнечная система. Еще одним применением лазерного охлаждения является разработка атомных интерферометров, в которых длина волны де Бройля медленных атомов используется для интерферометрических измерений со сверхвысокой точностью, например ускорения силы тяжести. Изысканные инструменты для атомной оптики также открыли путь к атомной литографии. Атомные пучки могут быть использованы для формирования нанометровых структур на поверхностях, например, для электронных компонентов. Недавнее наблюдение бозе-эйнштейновской конденсации в разбавленном атомном газе также связано с новаторской работой по лазерному охлаждению и улавливанию, описанной в этом кратком справочном материале.
Дополнительная литература
Уильяма Д. Филлипса и Гарольда Дж. Меткалфа, «Scientific American», март 1987 г., с.36. «Новые механизмы лазерного охлаждения», Клод Н. Коэн-Танноуджи и Уильям Д. Филлипс, Physics Today, октябрь 1990 г., с. 33. «Лазерное улавливание нейтральных частиц», Стивен Чу, Scientific American, февраль 1992 г., с. 71. «Le Refroidissement des Atomes par Laser», A. Aspect и J. Dalibard, La Recherche, January 1994, p. 30. «Глория Б. Лубкин, Physics Today, январь 1996», «Экспериментаторы Охладите гелий ниже предела однофотонной отдачи в трех измерениях». 22. Вернуться к началу Вернуться к началу Возврат пользователей к началу страницы